Оцінка додаткових втрат потужності у системах електропостачання швидкісного руху

В. Г. Сиченко; Є. М. Косарєв; П. В. Губський; А. В. Рогоза

УДК 621.331.3

в.г. сиченко, е.м. косдрев, п.в. губський, a.b. рогоза (днузт)

Кафедра «1нтелектуальн системи електропостачання» Днтропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту iменi акад. В. Лазаряна, 49010 м. Днтропетровськ, вул. Лазаряна 2, тел. +38(056)373-15-25, e-mail: elpostz@i.ua. kosarev@e.diit.edu.ua. peter.Qvbskiv@Qmail.com. redvfox@vandex.ru. ORCID: orcid.orQ/0000-0002-9533-2897. orcid.org/0000-0003-3574-7414. orcid.orQ/0000-0002-0216-7256

ОЦ1НКА ДОДАТКОВИХ ВТРАТ ПОТУЖНОСТ1 У СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ШВИДК1СНОГО РУХУ

Вступ

Вщомо, що впровадження швидюсного руху потребуе модершзацн системи тягового електропостачання, оскшьки висуваються бшьш жо-рсткi вимоги до режиму напруги в тяговш мереж та значно зростають тяговi потужносп. Завдання пiдвищення енергетично! ефективно-сн електрифiкованих лiнiй в умовах реформу-вання залiзничного транспорту е одшею з най-важливiших проблем. Прагнення забезпечити конкурентоспроможшсть перевiзного процесу потребуе збшьшення швидкостi руху пасажир-ських поlздiв до 250-300 км/год, формування великовагових потяпв, оргашзацн пакетного графшу руху без зниження рiвня безпеки при високих показниках якосн споживано! елект-роенергн i безумовному виконанш графiку руху потягiв.

Найбшьш серйознi проблеми виникають при оргашзацп швидкiсного та великовагового руху на дшянках постiйного струму. Досвiд показав, що швидюсний рух характеризуеться рiзкоз-мiнним iмпульсним електроспоживанням. Зб> льшення об'ему перевезень та органiзацiя руху швидюсних та високошвидкiсних поlздiв приз-водить до того, що пристро1 тягового електро-постачання обмежують пропускну спромож-нiсть дiлянки електрифшовано1 залiзницi вна-слiдок зниження напруги на струмоприймачi електрорухомого складу нижче нормованих значень. Удосконалення режиму напруги в тяговш мережi застосовуваними ниш засобами, як було показано [1], не виршуе юнуючу проблему повною мiрою, через збшьшення техно-

логiчних втрат потужносп на мiжпiдстанцiйнiй зонi та вщповщних експлуатацiйних витрат.

У цих умовах традицшш способи шдсилен-ня (бущвництво додаткових тягових пiдстанцiй, пунктiв паралельного з'еднання та iн.) виявля-ються малоефективними i неекономiчними. В той же час, використання встановлено1 на тягових шдстанщях потужностi у бшьшосн випад-кiв не перевищуе 30-40%.

Постановка задачi дослiдження

Iснуючi системи електропостачання елект-рорухомого складу, яю мають значну встанов-лену потужнiсть тягових пiдстанцiй, не дозво-ляють забезпечити потрiбний рiвень питомо1 потужностi тягово1 мережi в межах 1,5-2 МВт/км. Використання застосовуваних остан-нiм часом засобiв пiдсилення в багатьох випад-ках не забезпечуе необхщних енергетичних по-казникiв i е досить дорогими. Перелiченi фак-тори створюють передумови до замши центра-лiзованоl системи тягового електропостачання децентратзованою.

Принципи побудови цих систем були сфор-мульованi проф. Марквардтом К. Г. ще в сере-динi минулого столiття. Економiчний ефект досягаеться за рахунок зменшення перерiзу проводiв контактно1 мережi, зменшення втрат енергн, пiдтримки необхiдного рiвня напруги в контактнш мережi i збшьшення коефщента використання потужностi основного енергети-чного устаткування при зниженнi його встано-влено1 потужностi. Пiдсилення на основi роз-подiленого живлення передбачае перехвд до ново1 схемотехнiки тягово1 мережi (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1. Схема замщення дмнки: а) при централiзованому живленнi; б) при розподшеному живленнi

При проведенш порiвняльних оцiночних ро-зрахункiв систем живлення приймались наступи припущення: електровози споживають пос-тiйний i незмiнний за величиною струм, по!зди рухаються рiвномiрно iз постiйною встановле-ною швидкiстю 160 км/год, не враховуеться час на розгш та гальмування, загальний час ходу вшх по!здiв розрахунковою зоною становить 15 хв, напруга на шинах тягових шдстанцш е ста-лою та незмiнною за величиною у чаш, внутр> шнi опори тягових шдстанцш приймаються р> вними. Результати порiвняльного розрахунку наведених схем показують, що втрати електро-енергн при реалiзацil заданого графiку руху по!здiв при застосуваннi схеми розподшеного живлення склали 104,21 кВттод, що на 35,9 % менше вщ втрат електроенергн при централiзо-ваному живленш

Необхiдно вказати, що окрiм втрат електри-чно! енергп, величина яких мае значний вплив на технiко-економiчнi показники мереж^ осю-льки вартють втрат енергп включаеться в роз-рахункову вартiсть (приведенi затрати) та соб> вартiсть (рiчнi експлуатацшш затрати) передачi електрично! енергп ефектившсть транспорту електрично! енергп визначаеться також i якiстю електрично1 енергп в тяговш мережi.

В результатi процешв споживання електрич-но! енергп та резонаншв в тяговiй мережi зрос-тають струми та напруги вищих гармонiк. Тому, при розрахунку режимiв функцiонування тягово1 мережi, необхщно враховувати ампл> тудно-частотнi характеристики реактивного i активного опору елементiв. Не менш важливим фактором е величина навантаження. Розраху-нок амплiтудно-частотних характеристик сут-тево ускладнюеться необхiднiстю врахування розподiленостi параметрiв лiнiй тягового електропостачання [2].

Метою цт роботи е розробка одного з ме-тодолопчних пiдходiв при проведеннi порiвня-льного аналiзу рiзних типiв схем живлення тягово! мереж з урахуванням параметрiв лiнiй живлення, що дозволяе бшьш точно враховувати втрати потужносп в тяговiй мережа

Методика розрахунку

Розрахунок централiзованоl та розподшено1 систем тягового електропостачання постшного струму проводився на iмiтацiйнiй моделi згiдно методики розрахунку миттевих схем [3].

1. Централ1зоване живлення: Розрахунок за середшм значенням струму ЕРС

Рис. 2. Розрахункова дмнка

Розрахунков1 умови: Схема живлення - дво-стороння, довжина м1жшдстанцшно! зони L=20 км, ЕРС знаходиться на вщсташ х=5 км вщ ТП 1, потужнють тягових шдстанцш P=25 МВт, внутршнш ошр тягово! шдстанцп р=0,036 Ом, тягова мережа

М120+2МФ100+А185+Р65, струм, споживаний ЕРС за перюд (рис. 3), середнш струм ЕРС за перюд/е=1954,55 А.

I, А

2500 у

2000

0.005

0.015

0.02

Рис. 3. Осцилограма струму ЕРС

Розрахунок внутршнього опору тягових т-дстанцш проводився вщповщно до [3] та за умови, що на кожнш з тягових шдстанцш роз-ташовано 2 перетворювальш агрегати з дванад-цятипульсовою схемою випрямлення, один з яких знаходяться в робота

Вщповщно до рис. 2, струм фщера тягово! шдстанцп ТП 1 буде становити:

/ф1=0,75./е.

Тод1, миттев1 втрати потужност будуть:

? Т

АР= 0.75-/е -a*q •—.

(1)

(2)

2. Розподшене живлення: Розрахунок за середшм значенням струму ЕРС

Рис. 4. Розрахункова дмнка

Розрахунков1 умови: Схема живлення - дво-стороння, довжина м1жшдстанцшно! зони L/2=10 км, ЕРС знаходиться на вщсташ х=5 км вщ ТП 1, потужнють тягових шдстанцш P=6 МВт, внутршнш ошр тягово! шдстанцп р=0,054 Ом, тягова мережа

М120+2МФ100+А185+Р65, струм, споживаний ЕРС за перюд (рис. 3), середнiй струм ЕРС за пе-рiод /е=1945,55 А.

Розрахунок внутрiшнього опору тягових шдс-танцiй проводився вiдповiдно до [3] та за умови, що на кожнш з тягових шдстанцш розташовано по одному перетворювальному агрегату з двана-дцятипульсною схемою випрямлення.

Вщповщно до рис. 4, струм фщера тягово! т-дстанцп ТП 1 буде становити:

1ф1=0,505.1е. Тодi, миттeвi втрати потужносп будуть:

АР= 0.505-1е -г0-

(1)

(2)

Рис. 5. АЧХ цешрал1зовано1 СТЕ

Спектральний склад струму, отриманий шляхом розкладання в ряд Фур'е струму ЕРС та зображений на рис. 6 (спектр показаний без постшно! склад обо!).

Рис. 6. Спектральний склад струму ЕРС

Втрати потужносп з урахуванням ощночних втрат вщ вищих гармонiк визначались за формулою [4]:

(1)

де 1п - значення струму п-1 гармонiки, А; Хп - значення опору на частой п-1 гармошки, Ом.

4. Розподтене живлення: Розрахунок з урахуванням втрат в1д ВГ

Розрахунок втрат потужносп з урахуванням втрат вщ вищих гармошк проводився за анало-пею розрахунку для центратзовано! системи. Вщмшшсть полягала лише в iмiтацiйнiй моде-лi, яка враховувала додаткову тягову тдстан-щю. Залежнiсть опору розподшено! системи вщ частоти показано на рис. 7.

3. Централ!зоване живлення: Розрахунок з урахуванням втрат в1д ВГ

Визначення змши опору в заданому дiапазонi частот виконувалось за допомогою iмiтацiйноl моделi [2], побудовано! на основi схеми замщен-ня довгих лшш. В результатi моделювання отри-мано зм^ опору розрахунково! дiлянки в заданому д1апазош частот рис. 5.

Рис. 7. АЧХ розподшено! СТЕ

Результати розрахунку

Результати розрахунюв приведет на рис. 89 та зведеш в таблицю 1.

Рис. 8. Втрати потужносп з урахуванням втрат в1д ВГ

Рис. 9. Втрати потужносп без урахування втрат в1д ВГ

n

електропостачання / power suppl

Таблиця 1

Результати цМтацшного моделювання iiopiitirn. n.iioio aHaBÏ3y схем живлення

Найменування показника Централiзоване живлення Розподшене живлення

без урахування вищих гармошк з урахуванням вищих гармошк без урахування вищих гармошк з урахуванням вищих гармошк

Середнш струм ЕРС, А 1945,55 1945,55 1945,55 1945,55

Середнш струм фщера, А 1459,55 1459,55 982,5 982,5

Середш втрати напруги, В 372,18 451,32 250,5 304,1

Втрати потужносп кВА 542,93 AS 612,11979 246,15 AS 329,4787

кВт AP 612,11968 AP 329,4784

квар AQ 1,102138 AQ 0,5012

Частка втрат ввд вищих гармошк, % - 0,18 - 0,15

Висновки

Рiвень енергоспоживання та ощадливе ви-користання електрично! енергп на сьогодш-шнiй день е одним з визначальних факторiв при впровадженш швидкiсного та великова-гового руху на електрифiкованих залiзницях. Це потребуе, нарiвнi з впровадженням ново! техшки, розробки нових пiдходiв до схемоте-хнiки тягово! мережа Проведенi попереднi

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Аржанников, Б. А. Тяговое электроснабжение постоянного тока скоростного и тяжеловесного движения поездов / Б. А. Аржанников. - Екатеринбург: УрГУПС, 2012. - 207 с.

2. Сиченко В.Г. Моделювання електромагштних процеав у тяговш мереж! постшного струму / Вю-ник Дшпропетровського нацюнального техшчного ушверситету зал1зничного транспорту 1м. ак. В. Ла-заряна, Вип. 38 - 2011, - с. 73-76.

3. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. -М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / Л. А. Бессонов. -М.: Гардарики, 2006. - 701 с.

Надшшла до друку 10.12.2016.

Внутршнш рецензент Кузнецов В.Г.

оцшочш розрахунки показують, що при за-стосуванш системи тягового електропостачання розподшеного типу втрати потужност та напруги в тяговш мереж1 значно менш1 (54,7 i 32,7%, вщповщно) при значно меншш потужност тягових шдстанцш. Це дае шдс-таву для подальших дослiджень з метою тех-нiчноï реалiзацiï системи розподiленого живлення на залiзницях постiйного струму.

REFERENCES

1. Arzhannykov, B. A. Tyahovoe elektrosnabzhenye postoyannoho toka skorostnoho y tyazhelovesnoho dvyzhenyya poezdov [Traction power supply DC highspeed and heavy train traffic]. Ekaterinburg, USURT Publ., 2012. 207 p.

2. Sychenko, V. G. Modelyuvannya elektromahnitnykh protsesiv u tyahoviy merezhi postiynoho strumu [Simulation of Electro-Magnetic Process in the Idc Electric Traction Network] Visnyk Dnipropetrovs'koho natsional'noho tekhnichnoho universytetu zaliznychnoho transportu im. ak. V. Lazaryana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport], 2011, no. 38, p. 73 -76.

3. Markvardt K. G. Elektrosnabzhenie elektri-fitsirovannykh zheleznykh dorog [Electricity electric-infected railways]. Moscow, Transport Publ., 1982. 528 p.

4. Bessonov L. A. Teoretycheskye osnovy elek-trotekhnyky. Elektrycheskye tsepy [Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Electrical circuits]. Moscow, Gardariki Publ., 2006. 701 p.

Зовшшнш рецензент AHdpieHKo П.Д.

Впровадження швидюсного та великовагового руху на електрифкованих залiзницях постшного струму висв™ило деякi протирiччя - при наявнш надлишковiй потужностi тягових пiдстанцiй в тяговш мережi не забезпечуеться необхщний рiвень напруги та питомоТ потужносп. Оскiльки вiдомi iснуючi способи пщси-лення недостатньо ефективнi та й не отримали широкого впровадження в УкраМ, пропонуеться перехiд до новоТ схемотехнiки тяговоТ мережi - розподшеного типу. В статт висвiтлюеться один з аспек^в такого переходу - оцшка i порiвняльний аналiз втрат потужностi в порiвнюваних системах централiзованого та роз-подiленого типу з урахуванням втрат вщ вищих гармонiйних складових.

Ключовi слова: втрати потужносп, система розподшеного живлення, тягова мережа, швидюсний рух.

Кафедра «Интеллектуальные системы электроснабжения» Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени акад. В. Лазаряна, 49010 г. Днепропетровськ, ул. Лазаряна 2, тел. +38(056)373-15-25, e-mail: elpostz@i.ua. kosarev@e.diit.edu.ua. peter.avbskiv@amail.com. redvfox@vandex.ru. ORCID: orcid.ora/0000-0002-9533-2897. orcid.ora/0000-0003-3574-7414. orcid.ora/0000-0002-0216-7256

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ

Внедрение скоростного и тяжеловесного движения на электрифицированных железных дорогах постоянного тока осветило некоторые противоречия - при имеющейся избыточной мощности тяговых подстанций и в тяговой сети не обеспечивается необходимый уровень напряжения и удельной мощности. Поскольку известные существующие способы усиления недостаточно эффективны и не получили широкого внедрения в Украине, предлагается переход к новой схемотехники тяговой сети - распределенного типа. В статье освещается один из аспектов такого перехода - оценка и сравнительный анализ потерь мощности в сравниваемых системах централизованного и распределенного типа с учетом потерь от высших гармонических составляющих.

Ключевые слова: потери мощности, система распределенного питания, тяговая сеть, скоростное движение.

Department " Intelligence electrification systems", Dnipropetrovsk national University of railway transport named after Acad. V. Lazaryan, 49010, Dnipropetrovsk, 2 Lazaryana str., tel. +38(056)373-15-25 e-mail: elpostz@i.ua, kosarev@e.diit.edu.ua, peter.gybskiy@amail.com. redyfox@yandex.ru, ORCID: orcid.ora/0000-0002-9533-2897. orcid.orq/0000-0003-3574-7414. orcid.ora/0000-0002-0216-7256

EVALUATION OF ADDITIONAL POWER LOSSES IN THE POWER SUPPLY SYSTEM OF HIGH-SPEED TRAFFIC

The introduction of high-speed and heavy traffic on the electrified railway DC highlighted some contradictions in the existing excess capacity of traction substations and traction networks do not provide the necessary level of voltage and power density. Because there are existing ways of strengthening is not effective enough and not received wide implementation in Ukraine, we offer a transition to the new circuitry traction network -distributed type. The article highlights one aspect of this transition was to evaluate and compare Liny analysis of power losses to compare the centralized and the distributed type, taking into account losses from higher harmonics.

Keywords: power losses, distributed power, traction network, high-speed traffic.

Внутренний рецензент Кузнецов В.Г.

Внешний рецензент Андриенко П.Д.

UDC 621.331.3

V.G. SYCHENKO, YE.M. KOSARIEV, P.V. GUBSKIY, A V. ROGOZA (DNURT)

Internal reviewer Kuznetsov V.G.

External reviewer Andriienko P.D.

ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ

Текст научной работы на тему «Оцінка додаткових втрат потужності у системах електропостачання швидкісного руху»